As a physicist working at the Large Hadron Collider (LHC) at Cern, one of the most frequent questions I am asked is “When are you going to find something?”. Resisting the temptation to sarcastically reply “Aside from the Higgs boson, which won the Nobel Prize, and a whole slew of new composite particles?”, I realize that the reason the question is posed so often is down to how we have portrayed progress in particle physics to the wider world.

A menudo hablamos del progreso en términos de descubrimiento de nuevas partículas, y a menudo es así. El estudio de una nueva partícula muy pesada nos ayuda a ver los procesos físicos subyacentes, a menudo sin el molesto ruido de fondo. Eso facilita la explicación del valor del descubrimiento al público y a los políticos.

Sin embargo, recientemente, una serie de mediciones precisas de partículas y procesos ya conocidos y estándar han amenazado con sacudir la física. Y con el LHC preparándose para funcionar con mayor energía e intensidad que nunca, es hora de empezar a debatir ampliamente las implicaciones.

En realidad, la física de partículas siempre ha procedido de dos maneras, de las cuales las nuevas partículas son una. La otra es haciendo mediciones muy precisas que ponen a prueba las predicciones de las teorías y buscan desviaciones de lo esperado.

Las primeras pruebas de la teoría de la relatividad general de Einstein, por ejemplo, procedían del descubrimiento de pequeñas desviaciones en las posiciones aparentes de las estrellas y del movimiento de Mercurio en su órbita.

Tres hallazgos clave

Las partículas obedecen a una teoría contraintuitiva, pero de enorme éxito, llamada mecánica cuántica. Esta teoría demuestra que las partículas demasiado masivas como para producirse directamente en una colisión de laboratorio pueden influir en lo que hacen otras partículas (a través de algo llamado «fluctuaciones cuánticas»). Sin embargo, las mediciones de estos efectos son muy complejas y mucho más difíciles de explicar al público.

Pero los resultados recientes que insinúan una nueva física inexplicable más allá del modelo estándar son de este segundo tipo. Detallado estudios del experimento LHCb descubrió que una partícula conocida como quark de belleza (los quarks componen los protones y los neutrones del núcleo atómico) «decae» (se desintegra) en un electrón con mucha más frecuencia que en un muón, el hermano más pesado del electrón, pero por lo demás idéntico. Según el modelo estándar, esto no debería ocurrir, lo que indica que nuevas partículas o incluso fuerzas de la naturaleza podrían influir en el proceso.

Imagen del experimento LHCb.
Experimento LHCb. Crédito de la imagen: Cern

Sin embargo, curiosamente, las mediciones del experimento ATLAS en el LHC de procesos similares que implican a los «quarks top» muestran esta desintegración se produce con la misma frecuencia para electrones y muones.

Meanwhile, the Muon g-2 experiment at Fermilab in the US has recently made estudios muy precisos of how muons “wobble” as their “spin” (a quantum property) interacts with surrounding magnetic fields. It found a small but significant deviation from some theoretical predictions, again suggesting that unknown forces or particles may be at work.

El último resultado sorprendente es una medida de la masa de una partícula fundamental llamada Bosón W que lleva la fuerza nuclear débil que rige la desintegración radiactiva. Tras muchos años de toma de datos y análisis, el experimento, también en el Fermilab, sugiere que es significativamente más pesado de lo que predice la teoría, desviándose en una cantidad que no ocurriría por casualidad en más de un millón de experimentos. Una vez más, es posible que partículas aún no descubiertas aumenten su masa.

Sin embargo, es interesante observar que esto no concuerda con algunas mediciones de menor precisión del LHC (presentadas en este estudio y este ).

El veredicto

Aunque no estamos absolutamente seguros de que estos efectos requieran una explicación novedosa, parece que cada vez hay más pruebas de que se necesita una nueva física.

Por supuesto, se propondrán casi tantos mecanismos nuevos para explicar estas observaciones como teóricos. Muchos recurrirán a diversas formas de « supersimetría .» Se trata de la idea de que hay el doble de partículas fundamentales en el modelo estándar de lo que pensábamos, y que cada partícula tiene una «superpareja». Es posible que se trate de bosones de Higgs adicionales (asociados al campo que da masa a las partículas fundamentales).

Otros irán más allá, invocando ideas que están menos de moda últimamente, como « tecnicolor Lo que implicaría que existen otras fuerzas de la naturaleza (además de la gravedad, el electromagnetismo y las fuerzas nucleares débil y fuerte), y podría significar que el bosón de Higgs es en realidad un objeto compuesto por otras partículas. Sólo los experimentos revelarán la verdad del asunto, lo cual es una buena noticia para los experimentalistas.

Los equipos experimentales que están detrás de los nuevos hallazgos son todos muy respetados y han trabajado en estos problemas durante mucho tiempo. Dicho esto, no es una falta de respeto hacia ellos señalar que estas mediciones son extremadamente difíciles de realizar. Es más, las predicciones del modelo estándar suelen requerir cálculos en los que hay que hacer aproximaciones. Esto significa que diferentes teóricos pueden predecir masas y tasas de desintegración ligeramente diferentes dependiendo de las suposiciones y el nivel de aproximación realizado. Así que puede ser que cuando hagamos cálculos más precisos, algunos de los nuevos descubrimientos encajen con el modelo estándar.

También es posible que los investigadores utilicen interpretaciones sutilmente diferentes y que, por tanto, obtengan resultados incoherentes. La comparación de dos resultados experimentales requiere una cuidadosa comprobación de que se ha utilizado el mismo nivel de aproximación en ambos casos.

Ambos son ejemplos de fuentes de «incertidumbre sistemática», y aunque todos los implicados hacen lo posible por cuantificarlas, puede haber complicaciones imprevistas que las subestimen o sobreestimen.

Nada de esto hace que los resultados actuales sean menos interesantes o importantes. Lo que los resultados ilustran es que hay múltiples caminos para una comprensión más profunda de la nueva física, y todos ellos deben ser explorados.

Con la puesta en marcha del LHC, todavía hay perspectivas de que se produzcan nuevas partículas a través de procesos más raros o que se encuentren ocultas bajo fondos que aún no hemos desenterrado.La conversación

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Crédito de la imagen: Reidar Hahn/wikipedia , CC BY-SA